(57)【要約】  【課題】  円筒磁石の磁極数及び形状を適正に設定する簡素な手段により、製品コストの上昇を伴わず、また磁性を有する塵埃の付着の影響を低減して、高い検出感度を安定して得ることが可能なトルク検出装置を提供する。  【解決手段】  第１軸１と一体回転する円筒磁石４の周上に並ぶＮ極40，40…及びＳ極41，41…の並設数ｎを、第１軸１と第２軸２とを連結するトーションバー３の捩りばね定数ｋと、検出対象となるトルクの最大値Ｔmax とを含む次式により決定する。  ２・ｎ・Ｔmax ／ｋ＜３６０  また円筒磁石４の両端面に、Ｎ極40，40…及びＳ極41，41…の対応部位が凸となる凹凸部42，42を設け、磁性を有する塵埃の付着を、凹凸部42，42の凸位置に集中させる。【選択図】        図１
2005326368.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トーションバーを介して同軸上に連結された第１軸及び第２軸と、周方向に複数の磁極を並設してあり、前記第１軸と一体回転する円筒磁石と、該円筒磁石が形成する磁界内に配してあり、前記第２軸と一体回転する一組の磁気ヨークと、これらの磁気ヨーク夫々の外側を囲繞して固定配置された一組の集磁リングと、これらの集磁リングの一部に突設され、所定のエアギャップを隔てて対向する集磁突起の間に配された磁気センサとを備え、該磁気センサが検出する前記集磁突起間の磁束密度に基づいて前記第１軸及び第２軸に加わるトルクを検出するトルク検出装置において、
前記円筒磁石の磁極数ｎが、検出対象となるトルクの最大値Ｔmax （Ｎｍ）及び前記トーションバーの捩りばね定数ｋ（Ｎｍ／ｄｅｇ）を含む次式を満足する最大の整数となるように決定してあることを特徴とするトルク検出装置。
２・ｎ・Ｔmax ／ｋ＜３６０
【請求項２】
前記円筒磁石は、前記磁気ヨークの軸長方向両側への突出部を有し、この突出部の端面に前記磁極の夫々の対応部位を凸として設けられた凹凸部を備える請求項１記載のトルク検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、電動パワーステアリング装置において、操舵のために操舵部材に加えられる操舵トルクを検出すべく用いられるトルク検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ステアリングホイール等の操舵部材の回転操作に応じて操舵補助用のモータを駆動し、該モータの回転力を舵取機構に伝えて操舵を補助する電動パワーステアリング装置においては、操舵補助用のモータの駆動制御に用いるべく操舵部材に加えられる操舵トルクを検出する必要があり、この検出のために従来から、操舵部材と舵取機構とを連絡するステアリング軸の中途に構成されたトルク検出装置が用いられている。
【０００３】
このトルク検出装置は、検出対象となるステアリング軸を細径のトーションバーを介して同軸上に連結された第１軸と第２軸とに分割し、操舵部材の回転操作によりステアリング軸に操舵トルクが加えられたとき、この操舵トルクの作用によるトーションバーの捩れを伴って第１，第２軸間に相対角変位が生じるようにし、この相対角変位を媒介として前記操舵トルクを検出する構成としてある。
【０００４】
第１，第２軸間の相対角変位の検出は、従来から種々の手段にて実現されており、そのうちの一つとして、第１軸と一体回転する円筒磁石と、第２軸と一体回転する磁気ヨークとを備え、この円筒磁石と磁気ヨークとの間の磁気回路の変化を利用して前記相対角変位を検出するように構成されたトルク検出装置がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
第２軸と一体回転する磁気ヨークは、リング形をなすヨーク本体の一側に軸方向に延びる磁極爪を周方向に複数並設して構成され、夫々の磁極爪を周方向に交互に位置させた２個を一組として第２軸に固定されている。また第１軸と一体回転する円筒磁石は、磁気ヨークの磁極爪と同数組の磁極を周方向に並設してなる多極磁石として構成されており、一組の磁気ヨークの磁極爪が、Ｎ，Ｓ極の境界上に整合するように位置決めして第１軸に固定されている。
【０００６】
一組の磁気ヨークの外側には、これらに発生する磁束を集める集磁リングが、夫々のヨーク本体の外側を近接して囲繞するように固定配置されており、これらの集磁リングの一部に突設され、わずかなエアギャップを隔てて対向する集磁突起の間にホール素子等を用いてなる磁気センサを配してある。
【０００７】
以上の構成により第１軸と第２軸との間に相対角変位が生じた場合、一組の磁気ヨークの磁極爪と円筒磁石の磁極との周方向の位置関係が互いに逆向きに変化し、この位置変化に応じた夫々の磁気ヨーク内の磁束変化により、前記集磁突起間のエアギャップにおける磁束密度が増減して磁気センサの出力が変化するから、この出力変化を取り出すことにより第１，第２軸に加わるトルク（操舵トルク）を検出することができる。
【特許文献１】特開２００３−１４９０６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
さて、以上の如く構成されたトルク検出装置においては、トルクの検出感度が磁気センサの出力変化の大きさに依存するため、従来から、磁気ヨークと円筒磁石及び集磁リングとの間のエアギャップ、並びに集磁突起間のエアギャップを可及的に小さくし、また、円筒磁石、磁気ヨーク及び集磁リングの材料を適正に選定して、磁気センサにより検出される磁束密度自体を高め、更には、高出力が得られる磁気センサを採用する等の対策により検出感度の向上を図るようにしている。
【０００９】
しかしながら、エアギャップを小さくするには、円筒磁石、磁気ヨーク及び集磁リングの形状精度を高め、またこれらの位置決めを伴う組立精度を高めることが必要であり、製造工数の増加、及び製品コストの上昇を伴うという問題がある。また、円筒磁石、磁気ヨーク及び集磁リングの材料の適正化、並びに高出力の磁気センサの採用も製品コストの上昇を伴うという問題がある。
【００１０】
また、前述の如く構成されたトルク検出装置において、トルクの検出感度を低下させる一因として、円筒磁石に付着する磁性を有する塵埃の存在があり、この塵埃が、円筒磁石の磁極間に付着した場合、また円筒磁石と磁気ヨークとの間に介在した場合、夫々の付着部に磁気的な短絡が生じ、磁気センサの出力に影響を及ぼし、検出感度の低下と共に、トルク検出精度の低下を招くこととなる。
【００１１】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、円筒磁石の磁極数及び形状を適正に選定することにより、製品コストの上昇を伴わず、また磁性を有する塵埃の付着の影響を低減して、高い検出感度を安定して得ることが可能なトルク検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係るトルク検出装置は、トーションバーを介して同軸上に連結された第１軸及び第２軸と、周方向に並設された複数の磁極を有し、前記第１軸と一体回転する円筒磁石と、該円筒磁石が形成する磁界内に配してあり、前記第２軸と一体回転する一組の磁気ヨークと、これらの磁気ヨーク夫々の外側を囲繞して固定配置された一組の集磁リングと、これらの集磁リングの一部に突設され、所定のエアギャップを隔てて対向する集磁突起の間に配された磁気センサとを備え、該磁気センサが検出する前記集磁突起間の磁束密度に基づいて前記第１軸及び第２軸に加わるトルクを検出するトルク検出装置において、前記円筒磁石の磁極数ｎが、検出対象となるトルクの最大値Ｔmax （Ｎｍ）及び前記トーションバーの捩りばね定数ｋ（Ｎｍ／ｄｅｇ）を含む次式を満足する最大の整数となるように決定してあることを特徴とする。
２・ｎ・Ｔmax ／ｋ＜３６０
【００１３】
本発明においては、上記の式を満足するような磁極数の設定により、第１軸と一体回転する円筒磁石と第２軸と一体回転する磁気ヨークとの間に最大トルクの作用時に生じる相対角変位により、磁気センサに望ましい範囲内での最大限の出力変化を生ぜしめ、高い検出感度を実現する。
【００１４】
また本発明に係るトルク検出装置は、第１発明における円筒磁石が、前記磁気ヨークの軸長方向両側への突出部を有し、この突出部の端面に前記磁極の夫々の対応部位を凸として設けられた凹凸部を備えることを特徴とする。
【００１５】
この発明においては、磁気ヨークの両側に突出する円筒磁石の両端面に、各磁極の対応部位を凸とした凹凸部を設け、使用環境下にて生じる磁性を有する塵埃の付着を前記凹凸部の凸位置に集中させて、この付着の影響によりトルク検出感度及び検出精度が低下する虞れを軽減する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るトルク検出装置においては、円筒磁石の周上に並設される磁極の数を適正化する簡易な手段により、検出手段として用いた磁気センサの出力を大きくすることができ、トルクの検出感度を高め、また検出精度の向上を図ることが可能となる。
【００１７】
また本発明に係るトルク検出装置においては、円筒磁石の両端面に磁極の対応部位を凸とした凹凸部を設け、磁気ヨークの両側に突出させてあるから、磁性を有する塵埃の付着が凹凸部の凸位置に集中し、付着塵埃の作用による円筒磁石の磁極間の短絡、及び円筒磁石と磁気ヨークとの間の短絡の発生の虞れを軽減することができ、検出感度の低下を防止し、高精度でのトルク検出が可能となる等、本発明は優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。図１は、本発明に係るトルク検出装置の分解斜視図、図２は、組立て状態を示す縦断面図である。
【００１９】
本発明に係るトルク検出装置は、トーションバー３を介して同軸上に連結された第１軸１及び第２軸２に加わるトルクを検出対象とし、第１軸１と一体回転する円筒磁石４と、第２軸２と一体回転する２個一組の磁気ヨーク５，５とを備え、磁気ヨーク５，５の外側を各別に囲繞するように固定配置され、夫々の磁気ヨーク５，５内に生じる磁束を集める集磁リング６，６と、これらの集磁リング６，６間に後述の如く配設された磁気センサ７とを備えて構成されている。
【００２０】
トーションバー３は、細径の丸棒の両端に、第１軸１及び第２軸２との連結のための太径短寸の連結部30，30を連設して構成されている。第１軸１及び第２軸２は、前記連結部30，30の内嵌が可能な連結孔10，20を夫々の軸心部に備えており、第１軸１と第２軸２とのトーションバー３による連結は、第１軸１、第２軸２の連結孔10，20にトーションバー３両端の連結部30，30を嵌め込み、各別の連結ピン11，21の打設により一体化せしめて実現されている。
【００２１】
このように連結された第１軸１と第２軸とに回転トルクが加えられた場合、この回転トルクの作用によりトーションバー３が捩れ変形し、第１軸１と第２軸２との間には、トーションバー３の捩れ角度に応じた相対角変位が生じる。この相対角変位の大きさは、捩りばねとして作用するトーションバー３の捩りばね定数ｋ（Ｎｍ／ｄｅｇ）によって一義的に決定され、この捩りばね定数ｋは、トーションバー３の材料、長さ及び直径を用いて精度良く求めることができる。
【００２２】
第１軸１と一体回転する円筒磁石４は、図１に示す如く、周方向に複数の磁極（各複数のＮ極40，40…及びＳ極41，41…）を並設してなる多極磁石として構成されている。本発明に係るトルク検出装置の特徴は、この円筒磁石４の構成にあり、具体的には、周方向に並ぶＮ極40，40…及びＳ極41，41…の並設数が後述の如く設定されており、また、図１に示す如く、軸長方向両側の端面に、夫々のＮ極40，40…及びＳ極41，41…の中央部を凸とし、Ｎ極40とＳ極41との境界部を凹とした凹凸部42，42が、周方向の全長に亘って設けられている。このように構成された円筒磁石４は、凹凸部42，42を備える端面及び内面を適宜の厚さを有するモールド樹脂43により覆い、該モールド樹脂43を介して第１軸１に同軸的に嵌合固定されている。
【００２３】
なお、図１に示す凹凸部42，42は、夫々が三角形状をなす凸部及び凹部を周方向に並べて構成されているが、凹凸部42，42は、前述の如く、各磁極の中央部が凸、磁極間の境界部が凹となる条件下において適宜の形態にて構成することができる。
【００２４】
図３は、凹凸部の形態例を示す説明図であり、円筒磁石４の一側の凹凸部42を直線展開して示してある。図３（ａ）には、図１に示す凹凸部42が示されており、図３（ｂ）においては、矩形形状をなす凸部及び凹部を周方向に並べて凹凸部42が形成されており、また図３（ｃ）においては、台形形状をなす凸部及び凹部を周方向に並べて凹凸部42が形成されている。
【００２５】
第２軸２と一体回転する一組の磁気ヨーク５，５は、図１に示す如く、リング形をなすヨーク本体50の内面に、軸方向に延び先端に向けて縮幅された複数の磁極爪51，51…を、周方向に等配して構成された磁性材料製の部材であり、夫々の磁極爪51，51…の突設側を対向させ、周方向に交互に並べた状態で位置決めし、これらの外側を円筒形に成形されたモールド樹脂52により覆って一体化し、該モールド樹脂52を一側に延長して形成されたボス部53を介して第２軸２の軸端部に同軸的に嵌合固定されている。
【００２６】
以上の如く構成された磁気ヨーク５，５は、トーションバー３による第１軸１と第２軸２との前述した連結により、図２に示す如く、磁極爪51，51…を備える夫々のヨーク５の内面が第１軸１に嵌合固定された円筒磁石４の外周面にわずかなエアギャップを隔てて対向するように位置決めして組み付けられている。なお、円筒磁石４の軸方向長さは、磁気ヨーク５，５の軸方向長さよりも長くしてあり、前記凹凸部42，42が設けられた円筒磁石４の両端部は、図２に示す如く、磁気ヨーク５，５の軸長方向両側に適長突出するようになしてある。
【００２７】
図４は、夫々の磁気ヨーク５，５の磁極爪51，51…と円筒磁石４のＮ極40，40…及びＳ極41，41…との周方向の位置関係を示す説明図である。図４（ｂ）には、組み付け時の位置関係が示されており、本図に示す如く磁気ヨーク５，５と円筒磁石４とは、夫々の磁極爪51，51…が円筒磁石４の周上に並ぶＮ極40とＳ極41との境界と一致するように周方向に位置決めされている。
【００２８】
このような組み付け時の位置関係において、２個の磁気ヨーク５，５の磁極爪51，51…は、円筒磁石４の周上において互いに相隣するＮ極40とＳ極41との間に形成される磁界内に同一の条件下にて位置するため、これらの磁極爪51，51…に出入りする磁力線が略同数となり、夫々の磁極爪51，51…の基部を連絡する磁気ヨーク５，５のヨーク本体50，50内に生じる磁束は同一となる。
【００２９】
このように実現された磁気ヨーク５，５と円筒磁石４との位置関係は、円筒磁石４が固定された第１軸１と磁気ヨーク５，５が固定された第２軸２との間にトーションバー３の捩れを伴って生じる相対角変位に応じて、図４（ａ）又は図４（ｃ）に示す如く変化し、２個の磁気ヨーク５，５夫々の磁極爪51，51…と円筒磁石４のＮ極40とＳ極41との境界との位置関係が互いに逆向きに変化して、一方の磁気ヨーク５の磁極爪51，51…と、他方の磁気ヨーク５の磁極爪51，51…とには、夫々逆の極性を有する磁力線が増加し、一方のヨーク本体50と他方のヨーク本体50とに正負の磁束が発生することとなる。
【００３０】
このとき、ヨーク本体50，50内に発生する磁束の正負は、円筒磁石４と磁気ヨーク５，５との間、即ち、第１軸１と第２軸２との間に生じる相対角変位の向きに応じて定まり、正負の磁束の密度は、前記相対角変位の大きさに対応する。
【００３１】
このような磁気ヨーク５，５のヨーク本体50，50の外側を囲繞するように各別の集磁リング６，６が配してある。図１に示す如く集磁リング６は、ヨーク本体50の外径よりもやや大きい内径を有する磁性材料製の円環であり、周方向の一か所にて軸長方向に延び、先端部を径方向外向きに屈曲成形してなる集磁突起60を備えている。
【００３２】
このような集磁リング６は、磁気ヨーク５，５に対応する２個を一組とし、夫々の集磁突起60，60の先端の屈曲部が所定の間隔を隔てて対面するように同軸上に位置決めし、この状態を保ってモールド樹脂61により一体化させてあり、該モールド樹脂61を介して、図２に一部を示すハウジング８に内嵌固定することにより、夫々の集磁リング６，６の内周面を、各別の磁気ヨーク５，５のヨーク本体50，50の外周面に近接対向せしめて組み付けられている。
【００３３】
集磁リング６，６の集磁突起60，60間には、ホール素子等の磁気感知素子を用いてなる磁気センサ７が介装されている。この磁気センサ７は、電源回路、出力処理回路等の周辺回路が形成された回路基板70と共に前記モールド樹脂61内に埋設され、集磁突起60，60間に確保されたエアギャップ内に位置決めされている。
【００３４】
以上の構成により集磁リング６，６には、夫々に近接して回転するヨーク本体50，50内に発生する磁束が誘導され、この磁束は、夫々の集磁突起60，60の先端に集束されて、両者間に確保されたエアギャップに漏れ出すこととなり、このとき磁気センサ７は、漏洩磁束を感知し、前記エアギャップ間の磁束密度に対応する出力を発し、この出力が、回路基板７を経て外部に取り出される。
【００３５】
ここで集磁突起60，60間の磁束密度は、夫々の集磁リング６，６に対応するヨーク本体50，50に生じる磁束によって変化し、ヨーク本体50，50における磁束の変化は、円筒磁石４に対する夫々の相対変位、即ち、第１軸１と第２軸２との間の相対角変位に応じて生じるから、磁気センサ７の出力は、第１軸１及び第２軸に加えられ、前記相対角変位を生じさせる回転トルクの方向及び大きさに対応するものとなり、磁気センサ７の出力変化に基づいて第１軸１、第２軸２に加わる回転トルクを検出することができる。
【００３６】
以上の如く構成された本発明に係るトルク検出装置において、円筒磁石４の周方向に並ぶＮ極40，40…及びＳ極41，41…の並設数が以下の如く設定され、第１軸１と第２軸２との間の相対角変位に応じて生じる磁気センサ７の出力変化を可及的に大きくし、この出力変化に基づくトルク検出感度を高めて、高精度のトルク検出が行えるようにしてある。
【００３７】
前述の如く磁気センサ７の出力は、円筒磁石４と磁気ヨーク５，５とが、図４（ｂ）に示す組み付け時の位置関係にあるときに０であり、この位置から両側への変位に応じて正側又は負側に変化する。この変化は、円筒磁石４と磁気ヨーク５，５とが、図４（ａ）又は図４（ｃ）に示す位置関係となるとき、即ち、一方の磁気ヨーク５の磁極爪51，51…が円筒磁石４の周上に並ぶＮ極40，40…の中央に位置し、また他方の磁気ヨーク５の磁極爪51，51…が円筒磁石４の周上に並ぶＳ極41，41…の中央に位置するまでの間は比例的に生じる。
【００３８】
即ち、磁気センサ７の出力変化を大きくするためには、検出対象として想定されたトルクの最大値Ｔmax （Ｎｍ）が第１軸１及び第２軸２に加えられたとき、第１軸１と一体回転する円筒磁石４と、第２軸２と一体回転する磁気ヨーク５，５とが、図４（ａ）又は図４（ｃ）に示す相対位置となるようにすればよい。ここで、回転トルクの作用下での第１軸１と第２軸２との間の相対角変位α（ｄｅｇ）は、両軸１，２を連結するトーションバー３の捩りばね定数ｋ（Ｎｍ／ｄｅｇ）のみに依存し、前記Ｔmax の作用下での相対角変位αmax （ｄｅｇ）は、次式により求めることができる。
【００３９】
αmax ＝Ｔmax ／ｋ          …（１）
【００４０】
一方、図４（ｂ）に示す状態から図４（ａ）又は図４（ｃ）に示す状態までの間の相対角変位量は、円筒磁石４のＮ極40又はＳ極41の半幅に相当する中心角度θであり、この中心角度θ（ｄｅｇ）は、円筒磁石４の周上に並ぶ磁極数（Ｎ極40，40…及びＳ極41，41…の総数）をｎとした場合、次式により表される。
【００４１】
θ＝３６０／２ｎ            …（２）
【００４２】
従って、前述した条件を満たすためには、αmax ＝θ、即ち、
【００４３】
Ｔmax ／ｋ＝３６０／２ｎ    …（３）
【００４４】
であればよく、磁極数ｎは整数であることから、円筒磁石４の磁極数ｎを、次式を満足する最大の整数となるように決定することにより、磁気センサ７の出力変化を可及的に大きくし、トルク検出感度を高めて、高精度のトルク検出を行わせることが可能となる。
【００４５】
２・ｎ・Ｔmax ／ｋ＜３６０    …（４）
【００４６】
一方  以上の如きトルク検出の過程において、第１軸１と一体回転する円筒磁石４に、使用環境下に浮遊する磁性を有する塵埃が付着することが避けられず、この付着がＮ極40とＳ極41との境界部に両者を磁気短絡するように生じた場合、また、円筒磁石４と磁気ヨーク５，５との間のエアギャップを塞ぐように生じた場合、磁気センサ７の出力に影響を及ぼし、検出感度の低下と共に、トルク検出精度の低下を招くこととなる。
【００４７】
本発明に係るトルク検出装置においては、前述の如く、円筒磁石４の端面に凹凸部42，42が設けてあり、また円筒磁石４の軸方向長さを磁気ヨーク５，５の軸方向長さよりも長くして、凹凸部42，42が設けられた円筒磁石４の両端部を磁気ヨーク５，５の軸長方向両側に適長突出させて組み付けがなされている。
【００４８】
これにより磁性を有する塵埃の付着は、円筒磁石４の両端部に集中して生じ、磁気ヨーク５，５との間のエアギャップを塞ぐような塵埃の付着を有効に防止することができ、また両端部の夫々に凹凸部42，42が設けられており、Ｎ極40及びＳ極41の中央の凸位置に磁束が集中するから、この部分に磁性を有する塵埃の付着が集中し、Ｎ極40とＳ極41とを短絡するような塵埃の付着を有効に防止することができることとなり、付着塵埃の影響による前述した不具合を有効に回避することが可能となる。
【００４９】
なお、以上の如き作用をなす凹凸部42，42は、図３に示す種々の形態にて設けることができるが、磁束の集中効果を高めるためには、図３（ａ）及び図１に示す如く、三角形状をなす凸部及び凹部を並設した形態とするのが望ましく、少なくとも角を有する凸部とする必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に係るトルク検出装置の分解斜視図である。
【図２】本発明に係るトルク検出装置の組立て状態を示す縦断面図である。
【図３】円筒磁石の両端の凹凸部の形態例を示す説明図である。
【図４】磁気ヨークと円筒磁石との周方向の位置関係を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５１】
１    第１軸
２    第２軸
３    トーションバー
４    円筒磁石
５    磁気ヨーク
６    集磁リング
７    磁気センサ
40    Ｎ極（磁極）
41    Ｓ極（磁極）
42    凹凸部
60    集磁突起
【図１】
2005326368.tif 000003
【図２】
2005326368.tif 000004
【図３】
2005326368.tif 000005
【図４】
2005326368.tif 000006